JP3067730B2

JP3067730B2 - 衛星追尾方式と衛星通信システム

Info

Publication number: JP3067730B2
Application number: JP6683198A
Authority: JP
Inventors: 整守屋
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-03-17
Filing date: 1998-03-17
Publication date: 2000-07-24
Anticipated expiration: 2018-03-17
Also published as: JPH11264863A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、衛星通信システム
に関し、特に周回する通信衛星と地上の接続局の衛星追
尾において、通信衛星がＧＰＳ情報を受信し、自衛星の
位置と衛星ＩＤを周期的に発信し、その位置情報と衛星
ＩＤを用いて地上の接続局が通信衛星を捕捉するという
衛星追尾方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の衛星通信システムでは、衛星の発
信するビーコン波等を用いて、通信衛星を追尾する方法
や、周回する通信衛星の軌道をあらかじめ計算し、その
計算結果を用いて衛星を追尾する方式が提供されてい
る。

【０００３】衛星通信システムの一つにＧＰＳ通信シス
テムがある。このＧＰＳ通信システムは、自動車や船
舶、航空機等の現在位置を知るために開発された通信シ
ステムであり、特に移動体の現在位置を知る測位システ
ムとして一般化されている。

【０００４】移動体の現在位置を知る方法は古く双曲線
航法として船舶等に利用されている。双曲線航法の基本
的な原理は、場所が既知の複数地点から同時に、又は既
定の時間差をもって、信号を送信し、移動体上でそれら
の信号の到着時間差を測定して既知の場所からの距離を
知る。２次元上で場所を特定するには３個所からの信号
を受信しなければならない。

【０００５】米国国防総省（ＤｏＤ）が運用するＧＰＳ
（Global Positioning System）は、双曲線航法の一種
であり、従来のLoranやOmegaなどに比べ、位置検出の精
度が高い点が特徴である。ＧＰＳは周回する人工衛星を
既定地点とするために、陸上・海上を問わず地球表面の
あらゆる場所で利用可能で、また人工衛星が地球を中心
として立体的に配置されているために、４個の衛星から
の電波を受信することで移動体の３次元座標が確定す
る。

【０００６】ＧＰＳ通信システムは、衛星数２４個、軌
道数６０°毎に６種、各軌道に衛星４個、傾斜角５５
°、高度20,183ｋｍ、周回時間１２時間、衛星内クロッ
ク10.23ＭＨｚ、送信周波数Ｌ１キャリア1575.42(10.23
×154）ＭＨｚ、Ｌ２キャリア1227,6(10.23×128）ＭＨ
ｚ、という諸元を有している。この概略諸元から、各衛
星は、１２時間で１周する中軌道衛星であり、地上で同
時に４個以上見えるようにするため、６種類の軌道に３
個ずつ、合計１８個の衛星が稼動している。

【０００７】また、ＧＰＳ衛星（Ｎａｓｔａｒ）から発
射される電波は２種類あり、一つはＰ（Precise Positi
oning Service）コード、もう一つはＣ／Ａ（Corse Aqu
isition）コードとがあり、いずれもＤＳ（Direct Sequ
ence）方式のスペクトラム拡散変調信号を用いている。
Ｃ／Ａコードは、送信周波数Ｌ１キャリア1575.42(10.2
3×154）ＭＨｚを使用し、送信信号速度は1.023Ｍbps、
拡散符号はGold符号で周期１０２３チップ、データ伝送
速度５０bpsとして運用されており、各衛星には原子時
計（セシウム時計）が内蔵され、各衛星はこの原子時計
の時刻をコード化して放送している。

【０００８】各衛星が発射する信号は、すべて同一周波
数であり、衛星毎に異なるＰＮ系列が割り当てられてい
る。移動体上の受信者は伝送されてくる信号上に重畳さ
れた時計情報・衛星の位置情報と、自己移動体がローカ
ルに持つ時計との時間差から電波の到来所要時間を計算
して、自己の移動体の位置を知ることができる。

【０００９】ただし、移動体の時計は正確ではないの
で、複数の衛星から受信した信号により現在位置を算出
すると、衛星の組み合わせによって算出された場所が変
わるので、自己の受信機上の時計が未知の時間ずれτを
含むものとして、衛星の組み合わせによる計算位置の誤
差が最小となるようにローカル時計の時刻を修正する。
このことから、自己の移動体の３次元位置が判明すると
共に、現在時刻の正確な値も知ることができる。

【００１０】ＧＰＳ通信システムでは、衛星の移動によ
り衛星と受信機との間の距離が変化するので、受信信号
は衛星毎に異なるドップラーシフトを起こしている。こ
のドップラーシフト量を正確に測定することにより、受
信者の対地速度（移動速度）を計算できる。

【００１１】また、衛星通信システムには、地球自転と
同期して衛星が移動する赤道上３．６万ｋｍの円で周回
する静止衛星と、高度１万〜２万ｋｍの中高度軌道（Ｉ
ＣＯ：Intermediate Circular Orbit）衛星と、高度千
ｋｍ程度の低軌道衛星と、高緯度地方を長時間サービス
する例えばモルニアシステム等の長楕円軌道（ＨＥＯ：
Highly Elliptical Orbit）衛星、等があり、地球から
送信されてくる電波をゾーンビームアンテナ等で受信し
て、低雑音増幅器で増幅し、送受信結合による発振を防
止するためヘテロダイン方式等で周波数を変えて増幅
し、固定地域のサービスの場合にはマルチビーム方式を
用いて、例えばｃバンドのフィードホーン等のゾーンビ
ームアンテナやグローバルゾーンアンテナ、ｋｕバンド
のスポットビームアンテナ等より地球へ送信する。ま
た、衛星では、姿勢安定装置が内蔵され、衛星を回転さ
せてジャイロ効果により姿勢を安定するスピン安定方式
や、ジャイロを内部に有して無姿勢を制御する三軸姿勢
制御方式が採用されている。

【００１２】地球局では、送信用と受信用の無線設備を
有しており、送信用大電力増幅器、受信用低雑音増幅
器、周波数変換器、変復調器等で構成されている。

【００１３】またさらに、衛星通信システムの例として
は、固定衛星サービスを世界的に提供するインテルサッ
トや、移動衛星サービスを世界的に提供するインマルサ
ットやインマルサットＰや、通信放送用のＣＳ−３シス
テム、ＪＣＳＡＴ、高度７６５ｋｍ程度の６軌道に６６
個の低軌道衛星を配したイリジウムシステム等がある。

【００１４】上述のような、衛星通信システムで、固定
位置の地球局や、固定局、自動車等に搭載した移動体、
携帯用移動体は衛星からの電波を受信するため、アンテ
ナからの微弱電波信号を帯域増幅し、周波数変換して、
復調して電話音声、データ、映像等のメディアを復元
し、必要で有れば、上記各種の移動体等から衛星に向け
て、データや音声を高周波を変調して送信する。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、通信衛
星の発信するビーコン波等を用いて当該通信衛星を追尾
する場合、全く関係のない他衛星の発信するビーコン波
が、追尾中の通信衛星のビーコン波ときわめて近く、軌
道を交差してしまう時等には、他の衛星に誤追尾するこ
とがあり、正確に追尾できないことがある。

【００１６】また、周回する通信衛星の軌道を計算し、
地上の固定局や移動局等の接続局が衛星を捕捉するとと
もに、捕捉後の追尾をするためには、大がかりな軌道計
算を行うシステムが必要となるという課題があった。

【００１７】［発明の目的］本発明は、かかる課題に鑑
み、周回する通信衛星に自衛星の位置情報と衛星固有な
衛星ＩＤを発信させる手段を持たせ、地上にある衛星接
続局が簡単、確実に目標の通信衛星を捕捉するシステム
を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の衛星追尾方式及
び衛星通信システムは、周回する通信衛星にＧＰＳ受信
装置とそのＧＰＳ情報から自衛星の位置とその衛星に固
有なＩＤを周期的に発信する手段と、通信衛星の位置情
報と衛星に固有なＩＤを受信する手段とを備え、いつで
も目的の通信衛星を確実に捕捉するよう動作し、また自
衛星の位置と予定軌道との補正を自律的に行え、決めら
れた軌道を周回できるように動作する。また、本発明
は、周回衛星を用いた通信システムにおいて、通信衛星
は、自衛星の位置をＧＰＳ（Global Positioning Syste
m）衛星のＧＰＳ情報から検出するためにＧＰＳ受信装
置を搭載し、前記ＧＰＳ情報から得られる自衛星の位置
と衛星の固有なＩＤ（Identifier）を周期的に発信でき
る手段を有し、地上にある通信衛星との地球局は、当該
通信衛星の発信する位置情報と衛星固有のＩＤを受信す
る機能を備え、さらに、前記通信衛星は他の通信衛星か
ら発信される位置情報と衛星ＩＤを受信する受信手段を
有し、前記自衛星と前記他の通信衛星との互いの通信衛
星間の位置を確認し、前記地球局に対して前記他の通信
衛星への回線のハンドオーバーを可能とする機能を有
し、各通信衛星の配置を自律的に行え、通信衛星間にわ
たる通信回線のハンドオーバー時に適切な通信衛星を選
択することが可能となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００２０】［第１の実施形態］図１を参照すると、本
発明の実施の形態において、通信衛星１０は、スポット
ビームアンテナ２０と、ＧＰＳ情報受信装置１００と、
位置情報発信装置１１０とから構成され、地球上に地球
局として基地局２２０と、移動体３２０と、固定局４２
０とが配置されている。該固定局には、位置情報受信装
置１２０を含んでおり、地球局それぞれに位置情報受信
装置１２０を含んで構成されている。なお、移動体３２
０と、固定局４２０とは、図上受信専用として記載して
いるが、送受信機能を有していてもよい。

【００２１】通信衛星１０の構成を、図２に示して説明
する。少なくとも３個のＧＰＳ衛星の電波を受信するア
ンテナ４０と、アンテナ４０からの受信情報を受信する
ＧＰＳ情報受信装置１００内のＧＰＳ情報を受信する受
信手段１０１と、そのＧＰＳ情報から３次元的に地球上
を拡大した形状での緯度と、経度と、地球からの高度と
を位置情報として割り出す演算手段１０２と、該演算手
段１０２の演算結果から、緯度、経度、及び高度とを自
己の衛星ＩＤとともに一連のデータに変換し、データを
生成するデータ生成手段１０３とから構成される。ま
た、地球局からの搬送周波数を受信するビームアンテナ
３０と、ビームアンテナ３０からの搬送周波数を受信し
低雑音増幅器を含む受信部１３１と、受信部１３１の搬
送周波数信号を地球局への転送用搬送周波数に周波数変
換する周波数変換部１３２と、該周波数変換部１３２で
周波数変換されて転送用搬送周波数信号とデータ生成手
段１０３でのＧＰＳ情報とを合成するデータ合成部１３
３と、データ合成部１３３で合成された合成信号を電力
増幅する送信部１４０と、該地球局方向にマルチビーム
として電波を放射可能なスポットビームアンテナ２０と
か構成される。

【００２２】なお、データ合成部１３３は、データ生成
部１０３からのデータ信号を周波数変換部１３２で変換
された転送用搬送周波数と同一周波数とするため、デー
タ信号を地球局からのデータ変調と同一変調方式で変調
する変調回路と、転送用搬送周波数に周波数変換する変
換回路とを含むことが好ましい。そうして、地球局から
のデータの空き時間に当該変換回路の出力を挿入するこ
とで、地球局からのデータに影響を与えないようにす
る。この位置情報の挿入個所には、地球局からのデータ
の送出と同期して行うことが好ましい。

【００２３】また地球局や位置情報受信装置１２０は、
周期的に発信される位置情報と衛星ＩＤを受信する手段
を含み、この位置情報と衛星ＩＤとは、ベースバンドに
復調して信号分離手段によって分離する。

【００２４】但し、上記実施形態では、位置情報と地球
局の基地局からのデータとを同一搬送周波数として説明
したが、異なる搬送周波数としてもよい。

【００２５】次に、図１及び図２、図３ののフローチャ
ートを参照して、本実施の形態による全体の動作につい
て詳細に説明する。

【００２６】まず、周回する通信衛星に搭載されている
ＧＰＳ情報受信装置１００は、少なくとも３個のＧＰＳ
衛星からＧＰＳ情報を受信し、自衛星の正確な位置情報
として、３次元的に緯度、経度、高度を割り出す（図２
のステップＡ１）。この位置情報は精度の高いＰコード
を用いても、Ｃ／Ａコードを用いてもよい。また、ＧＰ
Ｓ衛星からの原子時計を用いた時刻と自己衛星の内蔵時
刻との比較演算により位置情報を得る。なお、ＧＰＳ衛
星及び自己衛星ともに高速度で周回しているので、ドッ
プラーシフトを起こしており、自己衛星内にドップラー
シフト量を測定する測定装置を内蔵して、緯度、経度及
び高度の位置情報をより正確に演算出力することとして
もよい。

【００２７】また、地球局の基地局の位置は移動するこ
とがなく、当該基地局の位置でＧＰＳ衛星からの電波を
受信し、どのＧＰＳ衛星からの電波がどれだけの時間誤
差を含んでいるのかを算出して、この誤差情報を通信衛
星に送出する。この通信衛星は、ＧＰＳ衛星からの電波
と、この誤差情報とを同時に受信して、ＧＰＳ衛星の信
号を補正して、いわゆるDifferential GPSとして、より
精度の高い正確な位置情報を地球局に送出することがで
きる。

【００２８】次に、同じく搭載されている位置情報発信
装置１１０において、割り出された自衛星の位置情報
と、自衛星の固有な衛星ＩＤとを周期的に発信する（ス
テップＡ２）。

【００２９】地上にある固定局であり電話交換機機等と
の接続局の位置情報受信装置１２０は、目標の通信衛星
から周期的に発信されている位置情報を受信し、通信衛
星を捕捉する（ステップＡ３）。続いて、通信衛星の搬
送周波数に追従して、搬送周波数から送信されたデータ
を復調する。また、そこで他の衛星からの搬送周波数の
到来があっても、目的の通信衛星の位置情報を周期的に
確認できるので、目的の通信衛星の捕捉・追尾を確実に
行うことができる。

【００３０】本実施の形態では、周回する通信衛星にＧ
ＰＳ情報受信装置１００と、位置情報発信装置１１０を
搭載し、通信衛星の位置情報を発信し、地上の接続局に
位置情報受信装置１２０を設置し、通信衛星から周期的
に発信されている位置情報と衛星に固有なＩＤを受信す
るように構成されているため、正確に目的の通信衛星を
捕捉できる。

【００３１】また、本実施の形態では、周回する通信衛
星自体が、自衛星の位置が正確にわかるというように構
成されているため、衛星自体で、あらかじめ決められた
軌道からのずれを補正しながら、決められた軌道上を周
回できる。

【００３２】さらに、周回する通信衛星にＧＰＳ位置情
報受信装置１００を搭載することにより、複数の通信衛
星から構成される衛星通信システムにおいて、互いの通
信衛星が発信する位置情報と衛星に固有なＩＤを受信す
る事が可能となり、適切な通信衛星配置が自律的に行え
る。また、衛星間にわたる通信回線のハンドオーバー時
に適切な通信衛星を選択することが可能となる。

【００３３】［第２の実施形態］本発明による第２の実
施形態について説明する。本実施形態では、図１に示す
ように、地球局の基地局と通信衛星とから構成される。
通信衛星は、ＧＰＳ衛星からＧＰＳ情報を検出し、該Ｇ
ＰＳ情報から自衛星の位置情報と自衛星のＩＤとを基地
局に送信する。基地局は、当該位置情報と当該衛星のＩ
Ｄとを受信し、予め定められている予定周回軌道の位置
と、当該位置情報とを比較し、位置誤差を検出し、位置
補正情報を当該通信衛星に送信する。

【００３４】通信衛星は、基地局からの位置補正情報か
ら、アポジモータや補助推進系を駆動するなど、軌道修
正装置を起動して、予定周回軌道の位置に軌道補正す
る。なお、通信衛星の姿勢制御も、同様に地球局の基地
局から最適ビーム方向となるようにテレメトリ・コマン
ド系にて、指示してもよい。

【００３５】［第３の実施形態］本発明による第３の実
施形態について説明する。本実施形態では、図１に示す
ように、地球局の基地局と通信衛星とから構成される。
通信衛星は、ＧＰＳ衛星からＧＰＳ情報を検出し、該Ｇ
ＰＳ情報から自衛星の位置情報と自衛星のＩＤとを基地
局に送信する。基地局は、当該通信衛星の位置情報と当
該衛星のＩＤとを受信し、他の通信衛星の位置情報とＩ
Ｄとを受信し、当該通信衛星が他の通信衛星に所定距離
を有していることを演算処理して判断する。

【００３６】ここで、当該通信衛星と他の通信衛星とが
所定距離より接近していると判断された場合は、基地局
は、所定距離となる位置補正情報と当該衛星のＩＤとを
当該通信衛星に送信し、その位置補正情報を受信した当
該通信衛星は、軌道修正エンジンを起動して、軌道位置
を修正する。この場合も、第２実施形態と同様に、基地
局から所定の起動位置に移動するように、正常な位置補
正情報に従って、アポジモータ等を起動・推進して、隣
接した通信衛星との位置関係を安全な位置に移動させ
る。

【００３７】［第４の実施形態］本発明による第４の実
施形態について説明する。本実施形態では、図１に示す
ように、地球局の基地局と通信衛星と固定局又は携帯通
信用移動機とから構成される。通信衛星は、ＧＰＳ衛星
からＧＰＳ情報を検出し、該ＧＰＳ情報から自衛星の位
置情報と自衛星のＩＤとを基地局に送信する。基地局
は、当該通信衛星の位置情報と当該衛星のＩＤとを受信
する。さらに、同一通信システム用の他の通信衛星の位
置情報とＩＤとを受信し、固定局又は携帯通信用移動機
の位置と当該通信衛星との位置とが仰角的に所定角度以
上となった場合に、基地局は当該通信衛星から他の通信
衛星にハンドオーバーすべき旨のハンドオーバー情報を
制御用搬送周波数で、又は通常のデータ情報と共に当該
通信衛星に送信する。当該通信衛星は固定局又は携帯通
信用移動機に通常のデータ情報と共にハンドオーバー情
報を転送搬送周波数で、又はハンドオーバー情報を制御
用搬送周波数で送信する。固定局又は携帯通信用移動機
はこのハンドオーバー情報を受信した場合、当該通信衛
星からの受信を停止し、同一通信システム用の他の通信
衛星の搬送周波数を捕捉し、その後追尾する。こうし
て、通信衛星は他の通信衛星から発信される位置情報と
衛星ＩＤを受信する受信手段を備え、互いの通信衛星間
の位置を確認し、地球局に対して他の通信衛星への回線
のハンドオーバーを可能とする。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、周回する通信衛星が、
ＧＰＳ情報受信装置１００と位置情報発信装置１１０を
搭載し、通信衛星の位置情報と衛星に固有なＩＤを発信
しているので、正確に周回する通信衛星を捕捉するでき
る。

【００３９】また、ＧＰＳ情報を用いることにより、正
確な自衛星の位置を割り出すことが可能なので、衛星自
体で、あらかじめ決められた軌道からのずれを補正しな
がら、決められた軌道上を周回できる。

【００４０】さらに、ＧＰＳ情報受信装置を周回する通
信衛星に搭載することによって、他の通信衛星の位置情
報と衛星に固有なＩＤを受信することが可能なので、複
数の通信衛星から構成される衛星通信システムにおい
て、適切な通信衛星配置が自律的に行え、また衛星間に
わたる通信回線のハンドオーバー時に適切な通信衛星を
選択することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の通信衛星システムの構成
図である。

【図２】本発明の実施の形態の通信衛星の構成図であ
る。

【図３】本発明の実施の形態の動作を示す流れ図であ
る。

【符号の説明】

１０通信衛星２０，３０，４０アンテナ１００ＧＰＳ情報受信装置１０１受信手段１０２演算手段１０３データ生成手段１１０位置情報発信装置１２０位置情報受信装置１３１受信部１３２周波数変換部１３３データ合成部１４０送信部２２０地球局の基地局３２０移動体４２０固定局

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01S 5/00 - 5/14 G05D 1/00 - 1/12 H04B 7/14 - 7/195 H04B 7/22 - 7/26 H04Q 7/00 - 7/38

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】周回衛星を用いた通信システムにおい
て、通信衛星は、自衛星の位置をＧＰＳ（Global Posit
ioning System）衛星のＧＰＳ情報から検出するために
ＧＰＳ受信装置を搭載し、前記ＧＰＳ情報から得られる
自衛星の位置情報と衛星の固有なＩＤ（Identifier）を
周期的に発信できる手段を有し、地上にある地球局は、
当該通信衛星の発信する前記位置情報と前記衛星固有の
ＩＤを受信する機能を備え、さらに、前記通信衛星は他
の通信衛星から発信される前記位置情報と前記衛星ＩＤ
を受信する受信手段を有し、前記自衛星と前記他の通信
衛星との互いの通信衛星間の位置を確認し、前記地球局
に対して前記他の通信衛星への回線のハンドオーバーを
可能とする機能を有することを特徴とする衛星追尾方
式。
【請求項２】請求項１に記載の衛星追尾方式におい
て、前記通信衛星は、前記ＧＰＳ情報により自衛星の位
置を確認する手段を有し、自衛星の予定軌道と実際のＧ
ＰＳ情報による位置を比較し、前記通信衛星が自律的に
軌道補正を行うことを特徴とする衛星追尾方式。
【請求項３】請求項１に記載の衛星追尾方式におい
て、前記通信衛星は他の通信衛星から発信される位置情
報と衛星ＩＤを受信する受信手段を有し、前記自衛星と
前記他の通信衛星との互いの通信衛星間の位置を確認
し、前記通信衛星間における異常接近の状態の回避機能
を有することを特徴とする衛星追尾方式。
【請求項４】周回衛星を用いた衛星通信システムにお
いて、通信衛星は、複数のＧＰＳ（Global Positioning
System）衛星の衛星からのＧＰＳ情報を受信するＧＰ
Ｓ受信手段と、前記ＧＰＳ情報から自衛星の位置情報を
演算検出する演算手段と、前記位置情報と自衛星のＩＤ
（Identifier）を地球局に送出する送信手段とを備え、
さらに、前記通信衛星は他の通信衛星から発信される位
置情報と衛星ＩＤを受信する受信手段を有し、前記自衛
星と前記他の通信衛星との互いの通信衛星間の位置を確
認し、前記地球局に対して前記通信衛星間における異常
接近の状態の回避及び適切な通信衛星への回線のハンド
オーバーを可能とする機能を有することを特徴とする衛
星通信システム。
【請求項５】請求項４に記載の衛星通信システムにお
いて、更に前記演算手段により得られた前記自衛星の位
置情報と前記自衛星のＩＤをデータに変換するデータ生
成手段と、前記地球局の基地局からのデータに重畳する
データ合成部とを備えたことを特徴とする衛星通信シス
テム。
【請求項６】請求項４又は５に記載の衛星通信システ
ムにおいて、前記通信衛星は、前記ＧＰＳ情報により前
記自衛星の位置を確認する手段を有し、前記自衛星の予
定軌道と実際のＧＰＳ情報による位置を比較し、前記通
信衛星が自律的に軌道補正を行うことを特徴とする衛星
通信システム。